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    強化車載電子系統安全性車輛EMC設計

    發布日期: 2016-04-25
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    車載電子系統不僅容易受到外在環境因素干擾,其內部電路板走線也常會產生噪聲問題,造成運作不穩定或失效;因此,電磁兼容設計與驗證工作,便成為開發車載電子設備*的重要環節。

    汽車產業對車載電子的需求越來越大,使得裝載于車輛上的電子系統持續增加。車輛屬于一項長距離移動且長時間使用的交通工具,運作的環境條件無法預期,相較于一般信息產品,車輛電子系統穩定度的要求嚴苛許多。再者,車輛配置空間有限,各系統之間的信號傳輸須透過較長的線束連接,環境噪聲容易借此耦合到線束上,造成電子系統工作不穩定甚至誤判。此外,電子系統一般皆由印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)與電子零件組成,為了達到即時(Real-Time)判斷與控制,PCB板上多以高速信號進行數據傳輸或轉換,快速變換的信號亦容易產生電磁干擾問題。

    因此,車載電子系統除了配置環境所受到的外部干擾外,亦包含PCB板本身走線所產生的噪聲,故車載電子系統的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)設計便顯得格外重要。

    抑制EMC問題從設計源頭做起

    由電生磁,由磁生電,「電」跟「磁」是相互相依的存在,因此市售的各類電子產品或電機設備在通電使用的過程中,必定會產生電磁輻射。為避免電磁輻射透過空氣耦合到其他設備導致異常,過去二、三十年來,間主要的經濟體國家先后建立標準法規,明確地訂定各類電子產品所產生的電磁輻射必須符合電磁兼容的標準,否則該電子產品無法在當地上市銷售;而電磁兼容包含電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)與電磁耐受(Electromagnetic Susceptibility,EMS)兩個部分。

    欲抑制電子產品EMC問題,從系統設計之初去解決是zui容易,且成本zui低的;一個精密電子設備的組成構架由zui初的電路板設計,慢慢集合成為一個功能模塊,zui后再組成一個系統;因此,在進行電路板設計的階段即能考察EMC問題,分析PCB走線可能產生的干擾現象,再針對這些噪聲源的成因,進行各項預防措施與布局,將能有效抑制噪聲干擾,以及提升電磁耐受能力。

    圖1所示為一般PCB的設計流程,在設計初期的電路分析(Schematic Design),為了方便計算,元件皆假設為*的理想值,非常容易發現與修正硬件參數上的設計錯誤;到了零件擺置(Components Placement)階段,若沒有全面考察PCB上主要零件的數據處理流向,以及規畫信號屬性區別分隔的話,進入走線設計(PCB Layout Design)時,就會發現大量布線交錯,且走線沒有系統性,信號干擾的肇因往往源自于此。

    起初產品在功能面的表現上,不會有太大的問題,到了測試驗證階段時,才會發現問題接踵而來,此時發生的電磁干擾問題,通常須要耗費更多的時間與人力來解決,zui終多是回到設計階段重新進行零件擺置與Layout走線設計,然后再經過打樣與組裝(PCB Assembly),造成產品的量產時程將延遲,且成本將提高數倍。

    因此,若工程人員在設計初期,即導入PCB Design-in的觀念,確實的規畫與布局,分析PCB走在線干擾源可能發生的原因,針對這些噪聲源的成因,做各項修正、預防與抑制措施,將能有效縮短產品開發時程與節省成本。

    追求系統安全電磁干擾防治為關鍵

    本文描述之硬件電路開發系建構在一車用圖像安全系統上,圖2所示為車用圖像硬件平臺之構架圖。

    該系統采雙高速數位信號處理器(DSP),為處理核心進行復雜的數學運算;圖像擷取單元為電荷耦合元件(CCD)或互補式金屬氧化物半導體感測器(CMOS Sensor)攝像機,取得駕駛道路環境的圖像送到譯碼單元,將模擬圖像信號轉換為DSP可接受之數位信號進行數據分析與判斷;數據存取單元包含非揮發性內存Flash與DDR2,用以儲存譯碼單元處理后的圖像信息及DSP運算分析后的結果,再結合車身控制區域網路(Control Area Network,CAN)信號,分析駕駛環境可能潛在的危險性,并透過警示單元提醒駕駛人,若須配合即時影像,則可透過編碼單元,將處理后的數位影像信號轉換回模擬訊號并顯示于屏幕(Monitor)上,方便駕駛人判讀。

    系統架構規畫有助于進行電子零件配置與線路布局,由圖3可知,由于系統同時具有數位信號以及模擬信號,屬于混合信號控制系統。

    高速數位信號多以百萬分之一秒,甚至更高的速度進行高/低準位變換,信號于高準位時,由電源平面提供所需的工作電流,低準位時則不消耗電流,因此數位信號在狀態改變時,由于快速抽載與卸載,造成電源平面的電流瞬間變化,產生切換噪聲或接地彈跳,致使電源平面不停振蕩進而導致電壓準位跳動。一旦電壓變動的程度超過芯片所容許的范圍,系統功能就會受到影響甚至重置(Reset),同時固定周期的時脈信號(Clock),帶有強烈的高頻成分,與其他信號線太靠近時,會將已達射頻(RF)頻率的能量耦合到其他信號在線,造成串音干擾(Cross Talk)。

    模擬信號較為敏感,容易受到高速信號干擾而造成原始信號失真,導致數據處理分析判斷錯誤,因此在模擬數位轉換器(ADC)與數位模擬轉換器(DAC)信號轉換的設計布局上,須避免兩種不同屬性的元件交錯擺置,并且將兩種屬性的地平面(GND Plane)予以區隔,預防噪聲透過地平面相互影響(圖3)。

    完成零件配置規畫后,尚須考察多層PCB板堆疊(Stack)設計。印刷電路板依電路設計的復雜程度有不同層數可供運用,而PCB板上各層間走線均屬于一個信號發散的3D電磁場空間,包含傳導、輻射以及感應耦合現象,因此在PCB板層的堆疊設計上便顯得相當重要。

    適當地利用大面積鋪銅做為屏蔽(Shielding),來阻擋干擾噪聲是常見的方法;另外,因特性阻抗Zo具有頻率特性,會造成走在線的信號強度隨頻率而衰減,且走在線的電流會循著阻抗zui低的路徑自行回流,在進行線路布局時,必須試著對PCB板上所有的走線,提供低阻抗的線路,避免走線的回流路徑過大,而產生不必要的噪聲與干擾。

    根據特性阻抗公式得知,增加電容值C能降低走在線的特性阻抗;再根據電容公式可知,兩極板之間的距離越小,電容效應越好,特性阻抗就越??;上述兩式,可適當應用在PCB多層板設計上。

    特性阻抗除了會影響信號強度外,也會造成信號在走在線產生反射波,導致信號波形紊亂而影響信號完整性(Signal Integrity)。阻抗值與走線方式、寬度、參考平面距離及PCB材質等有相對關系,根據傳輸線設計理論,阻抗值為50Ω的傳輸線,有著*的信號傳輸質量與zui小的衰減量,而PCB阻抗值的范圍約在25~120Ω之間,可透過調整走線寬度或板層間絕緣材質的厚度,來得到近似50Ω的阻抗值。

    圖4為本文系統之阻抗設計,一般信號線(Signal-End)阻抗設計為50Ω±10%,差動信號線(Differential)阻抗為100Ω±10%;一些特殊阻抗要求可參考各家芯片設計廠商所提供的數據為準

    做好接地回路設計噪聲干擾問題有解

    隨著電子通訊設備普及,寬帶時代的定位系統、多媒體系統及無線藍牙通信等,逐漸成為車內基本配備;在有限的車體空間里,系統裝置之間多以長線束做為連接或進行信號傳遞,不同電子系統之線束,會同時捆綁以便于進行車內配線,因此干擾噪聲也容易相互耦合到鄰近的線材上。

    圖像信號是較為敏感的信號線,且大多須搭配屏幕即時顯示駕駛環境,圖像質量的優劣更容易被察覺,如畫面出現水波紋、扭曲、閃爍等現象。為避免線束上的耦合干擾,圖像信號可選用外層具有地線包覆之線材,利用外層包覆的地線來達到屏蔽噪聲效果。

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